CN113446882A - 一种蓄热型高效紧凑换热器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种蓄热型高效紧凑换热器，包括若干竖直间隔排列的热管，热管中部通过隔板固定，形成上部的放热段和下部的吸热段；隔板下方设置高温流体通道，隔板顶面设置有下集板，下集板上方间隔设置有上集板，上集板和下集板之间通过若干支撑管连通，热管吸热段位于高温流体通道中，热管放热段位于支撑管中，下集板设置有冷却工质入口，上集板设置有冷却工质汇集系统。本发明的蓄热型高效紧凑换热器，有效解决了用于高压气体余热回收时换热器体积过大的问题，具有体积小、投资低，运输方便等优点，可用于多种压力工况下气体余热的回收。

Description

一种蓄热型高效紧凑换热器
技术领域
本发明涉及热管换热器技术领域，具体涉及一种蓄热型高效紧凑换热器。
背景技术
对于一定容积的高压气体在存储时，温度越高，可以存储的气体质量就越少，将高压气体进行冷却，是对于容积固定的容器增加气体储存量最直接的方式。在等熵压缩空气的过程中，有85％的能量转换为热能，如果采用壳管式换热器，由于空气侧换热系数低，需要体积庞大的换热器，而板式换热器又无法承受两边较大的压差，因此，也无法应用。热管具有传热性能好，可以在低换热系数侧增加换热面积等优点，特别适用于气体工质的换热环境。为此，可以基于热管原理，开发出高效紧凑换热器。
发明内容
本发明的目的是提供一种蓄热型高效紧凑换热器，结构紧凑，可用于多种压力工况下气体余热的回收。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种蓄热型高效紧凑换热器，包括若干竖直间隔排列的热管，热管中部通过隔板固定，形成上部的放热段和下部的吸热段；隔板下方设置高温流体通道，隔板顶面设置有下集板，下集板上方间隔设置有上集板，上集板和下集板之间通过若干支撑管连通，热管吸热段位于高温流体通道中，热管放热段位于支撑管中，下集板设置有冷却工质入口，上集板设置有冷却工质汇集系统；进入高温流体通道的高温流体，与热管吸热段进行热量交换，降温后流出，热管吸热段的液态工质吸热沸腾上升，将热量传递到放热段，冷却工质经上集板进入到支撑管后，与热管放热段进行热量交换，升温后经上集板排出，热管放热段的气态工质凝结成液体后回流到吸热段。
本发明可以实现作为冷却工质的冷却剂用量最少，且能保证放热段位于液态工质之中，始终有良好的换热效果。
作为优选，所述的冷却工质汇集系统包括汇集管和若干收集罩，收集罩设置在上集板顶面，每个收集罩对应若干支撑管，各收集罩顶部通过支管与汇集管相连通，汇集管一端设有冷却工质出口。
作为优选，所述的汇集管上还设置有安全阀接口、压力表接口和温度计接口。
作为优选，所述的下集板还设置有用于排放或更换冷却工质的排污管。
作为优选，所述的支撑管之间填充有蓄热材料，蓄热材料可以储存大量热量，可以保证放热段冷却工质吸收过程稳定，实现热量的有效利用。
当作为蒸汽发生器使用时，则可以保证蒸汽出气流量稳定，温度稳定，运行可靠。
作为优选，所述的热管吸热段设置有用于增加气体侧换热面积的翅片，可减少气体侧的热阻，从而在保证换热性能的前提下，缩小换热器的体积，使其结构更加紧凑。
弥补气体换热时换热系数低的不足，可以在较大的范围内增加气体侧的换热面积。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的蓄热型高效紧凑换热器，一方面通过增加换热面积的方式弥补了气体侧换热系数低的不足，另一方面通过蓄热的方式，保证了换热过程的稳定可靠，由于增加了气体侧换热面积，有效减少了系统的换热热阻，提高了系统的换热效率，实现了系统的紧凑，有效解决了用于高压气体余热回收时换热器体积过大的问题，具有体积小、投资低，运输方便等优点。
2、本发明的蓄热型高效紧凑换热器，不仅可以用于压缩空气储能工艺中高压空气余热的回收，还可以用于中压、低压和负压的各压力工况下气体余热的回收，通过改变冷却工质可以实现不同温度段余热的回收和存储，使用寿命长、成本低。
3、本发明的蓄热型高效紧凑换热器，当采用软水作为冷却工质时，可作为蒸汽发生器以满足工业生产过程对于蒸汽的需求，且只需要少量软水作为工质，就可以持续稳定的生产出蒸汽。
附图说明
图1为本实施例的蓄热型高效紧凑换热器的正视图；
图2为本实施例的蓄热型高效紧凑换热器的侧视图；
附图标记说明：1-热管；1a-吸热段，1b-放热段；2-隔板；3-高温流体通道；4-下集板；5-支撑管；6-上集板；7-冷却工质入口；8-收集罩；9-汇集管；10-安全阀接口；11-温度计接口；12-压力表接口；13-排污管，14-蓄热材料。
具体实施方式
下面将结合本实施例中的附图，对本申请的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例
如图1和图2所示，一种蓄热型高效紧凑换热器，包括若干竖直间隔排列的热管1，热管1中部通过隔板2固定，形成上部的放热段1b和下部的吸热段1a，具体的，在本实施例中共有4x8根热管1矩阵排列。隔板2用于固定矩阵热管，隔板2下方为高温流体通道3，作为换热器的高温侧，隔板2上方为换热器的低温侧，换热器的耐压外壳图中并未示出，根据实际需要进行设计即可。隔板2顶面设置有下集板4，下集板4上方间隔设置有上集板6，上集板4和下集板6之间通过若干支撑管5连通。具体的，由于下集板4要向支撑管5通入冷却介质，因此，下集板4具有空腔结构，顶面开孔，支撑管5外径略小于下集板4的孔径，例如，可相差1mm，对其后齐平焊接即可，由于本实施例采用收集罩8收集冷却介质，上集板6采用薄的实心板，其上开孔后与支撑管5外壁焊接即可，当然也可以采用与下集板4相同的结构，本发明并不限制。下集板4一侧设置冷却工质入口7，用于通入冷却工质，另一侧设置排污管13，其上配阀门，根据需要，可以将系统的冷却工质排放或更换。支撑管5的数量与热管1的数量一致，热管1的吸热段1a位于高温流体通道3中，热管的放热段1b则分别位于各支撑管5中，当然，下集板4底面要设置供热管1穿过的通孔。
由于高温流体通道3通入的主要是高温气体，例如，可以是高温烟气，也可以是压缩空气储能系统等的高压高温空气，为弥补气体侧换热系数低的不足，吸热段1a外壁设置翅片以增加换热面积，有效补偿气体侧换热系数较低的工况，保证换热过程的紧凑、高效、稳定、可靠。热管1内的工质在60℃时实现沸腾蒸发，在放热段1b为光管，这是由于放热段1处于支撑管9内，里面充满了液态的冷却工质，换热系数大，可以保证吸热段1a和放热段1b的热阻平衡。需要说明的是，采用何种冷却工质，主要要考虑冷却工质能带走放热段1b的热量，仅可能提高放热段1b的换热效率。
冷却工质经冷却工质入口7进入下集板4，经支撑管5和上集板6后流出，为了更好的汇集加热后的冷却工质，在上集板6顶面设有若干收集罩8，每个收集罩8对应若干支撑管5，各收集罩8顶部通过支管与汇集管9相连通，在汇集管9一端设置冷却工质出口，构成冷却工质汇集系统，被加热的冷却工质收集后统一输运出去集中储存。
当冷却工质流量较小时，冷却工质在放热段1b蒸发，形成蒸汽，当冷却工质流量较大时，工质吸热后温度升高，但依然保持液态，因此，在汇集系统中的工质可以是蒸汽状态，也可以是温度升高的液体，具体形态可以根据生产工艺加热的需求确定。当生产工艺需要工质以蒸汽形态进入汇集系统时，汇集系统需要具有一定的承压能力，具体的承压能力根据工艺的要求确定，同时，需要配备相应的安全阀，为此，在汇集管9上设置有安全阀接口10、温度计接口11和压力表接口12。
为了保证放热段1b的冷却工质吸收过程稳定，在支撑管9间填充蓄热材料14，可以储存大量热量，从而可以实现这部分热量的有效利用。蓄热材料14可以是干燥的石英砂，也可以是小颗粒石子等，如果采用粒径较大的石子，需要配些石英砂，保证蓄热材料14的空隙率最低。
下面结合附图对本发明的工作过程进行说明：
a、高温侧回路：高温流体通道3内是高温流体。根据不同工况，高温流体可以是高温烟气，也可以是压缩空气储能系统储能阶段刚压缩过的高温高压的空气。无论是高温烟气，还是高温高压的空气，都是气态，对流换热系数低，如果直接用列管换热器，则换热器的体积需要很大，本发明中提出在高温侧气体通过增加翅片的方式减少气体侧的热阻，从而在保证换热性能的前提下，缩小换热器的体积，使其紧凑。具体的，热管1带翅片的吸热段1a被放置在高温流体通道3内，热量通过高温流体与热管1的对流换热、管壁热传导传递到热管1内的液态工质，液态工质在较低的温度下吸热沸腾、上升，从而将热量从高温流体侧传递到放热段1b。从图1可以看出，在高温流体通道3内，高温流体从左侧进入，与热管1的吸热段1a进行热量交换，换热后的低温高压气体或低温烟气从右侧排出换热器，从而将热量导出到放热段1b，再由放热段1b的冷却工质带出。
b、冷却循环回路：如图2所示，冷却工质经冷却工质入口7进入到支撑管5内，一边是热管1的放热段1b，一边是支撑管5。这部分可分为两种工况，一种工况是冷却工质在放热段1b吸热升温，通过上部的汇集系统将这部分热量以液态的形式带出系统，另一种工况是冷却工质在放热段1b吸收热量气化，转换为蒸汽，以蒸汽的形式带出系统。热管1内的气态工质则凝结成液体后回流到吸热段1a。同时，在支撑管5间的蓄热体，可以储存大量热量，保证支撑管5内冷却工质吸热过程稳定，实现这部分热量的有效利用。冷却工质带出的热量被利用后，温度降低，再次经冷却工质入口7返回到支撑管5，形成冷却工质的循环。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种蓄热型高效紧凑换热器，其特征在于：包括若干竖直间隔排列的热管，热管中部通过隔板固定，形成上部的放热段和下部的吸热段；隔板下方设置高温流体通道，隔板顶面设置有下集板，下集板上方间隔设置有上集板，上集板和下集板之间通过若干支撑管连通，热管吸热段位于高温流体通道中，热管放热段位于支撑管中，下集板设置有冷却工质入口，上集板设置有冷却工质汇集系统；进入高温流体通道的高温流体，与热管吸热段进行热量交换，降温后流出，热管吸热段的液态工质吸热沸腾上升，将热量传递到放热段，冷却工质经上集板进入到支撑管后，与热管放热段进行热量交换，升温后经上集板排出，热管放热段的气态工质凝结成液体后回流到吸热段。
2.根据权利要求1所述的一种蓄热型高效紧凑换热器，其特征在于：所述的冷却工质汇集系统包括汇集管和若干收集罩，收集罩设置在上集板顶面，每个收集罩对应若干支撑管，各收集罩顶部通过支管与汇集管相连通，汇集管一端设有冷却工质出口。
3.根据权利要求2所述的一种蓄热型高效紧凑换热器，其特征在于：所述的汇集管上还设置有安全阀接口、压力表接口和温度计接口。
4.根据权利要求1所述的一种蓄热型高效紧凑换热器，其特征在于：所述的下集板还设置有用于排放或更换冷却工质的排污管。
5.根据权利要求1所述的一种蓄热型高效紧凑换热器，其特征在于：所述的支撑管之间填充有蓄热材料。
6.根据权利要求1所述的一种蓄热型高效紧凑换热器，其特征在于：所述的热管吸热段设置有用于增加气体侧换热面积的翅片。
7.根据权利要求1所述的一种蓄热型高效紧凑换热器，其特征在于：所述的作为冷却工质的冷却剂用量最少，且能保证放热段位于液态工质之中。
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